JP2016045237A - 発光モジュール及び多チャネル発光モジュール - Google Patents

Abstract

【課題】安定した光出力を得ることができる発光モジュール及び多チャネル発光モジュールを提供する。
【解決手段】発光モジュールは、ＬＤ１１と、一方の焦点がＬＤ１１の光出射点に一致した第１レンズ１２と、第１レンズ１２から出射された光をそれぞれ発散光として出射させる第２レンズ１４と、第２レンズ１４から出射された光を光ファイバ５に入射させる第３レンズ４と、ＬＤ１１、第１レンズ１２及び第２レンズ１４を搭載するＴＥＣ２０とを備える。第２レンズ１４は、第２レンズ１４から出射される光が平行光となる位置よりも第１レンズ１２側に配置されている。第３レンズ４から出射される光は、光ファイバ５の内部で集光される。
【選択図】図７

Description

本発明は、発光モジュール及び多チャネル発光モジュールに関する。

特許文献１には、光半導体モジュールが開示されている。この光半導体モジュールは、レーザー光を放射する半導体レーザーと、半導体レーザーからのレーザー光を集光するレンズと、レンズで集光されたレーザー光をファイバフェルールの伝送路に出力する光コネクタとを備えている。この光コネクタは、レーザー光が入射される入射面を備えた光ファイバを含むファイバフェルールと、この入射面を覆うように設けられた光減衰部とを備える。光減衰部は例えば偏光ガラスである。光減衰部におけるレーザー光の透過率は、光軸を中心とした光減衰部の回転位置によって変化する。また、上述した半導体レーザー、レンズ及び光コネクタは、上記入射面におけるレーザー光のスポット径が光ファイバのコアの直径より小さくなるように調芯が行われる。

ところで、発光モジュールにおいて、レーザダイオード（以下「ＬＤ」という）、レンズ及び光ファイバを適正に光学調芯（光結合）させた状態であっても、ＬＤに所定の電流を印加したときにＬＤの光出力（モジュール外に取り出されてレンズに光結合されるファイバ端面とは別の端面から出力される光の強度）は所定値を超える場合がある。また、所定の光出力を確保するためにＬＤに印加する印加電流値を低下させると、ＬＤの緩和振動周波数が低下しＬＤの高周波特性が損なわれるという問題が生じる。

そこで、特許文献１に記載されているように光コネクタをＺ軸方向（光軸方向）に移動させて、ファイバの端面をレンズの焦点からオフセットした位置に移動させることによって、ファイバのコアに入射される光の割合を減少させている。これをデフォーカス（de-focus）と称する。

特開２００７−２１２７９５号公報

多波長集積モジュールでは、互いに独立な複数の光信号を最終的に一本の光ファイバの端面に結合させる。上記のように光結合点をデフォーカスさせる方法では、１つのＬＤ光に対するパワー調整は適切に行える。しかしながら、例えば４つのＬＤ光のパワー調整を行う場合には、ＬＤの発光パワー若しくは光学部品の結合効率のばらつき、又は４つの光軸の位置若しくは角度のばらつきによって、ファイバ結合パワーの差が拡大し安定した光出力を得られないという問題が生じる。

また、４レーンのＬＤ光を最終的に１つの集光レンズでファイバの端面に結合させるので、デフォーカスによる光量調整を１つのＬＤ光に対して行った場合、他のＬＤ光に対しては必ずしも最適な光量調整にならないという問題もある。すなわち、集光レンズにおける各ＬＤ光の光軸は、設計上は整合しているが、実際には各ＬＤ光によって微妙にばらついている。よって、集光レンズの光軸に沿ってレンズ又はファイバの端面を移動させても、各ＬＤ光が当該光軸に沿ってレンズに入射しているとは限らず各ＬＤ光に対する適正なオフセット量が異なっていることが多いので、安定した光出力を得られない。

更に、各ＬＤ光がレンズの光軸上を伝播してレンズ及びファイバの端面に入射している場合であっても、ＬＤのＩ−Ｌ特性（印加電流−光出力）には当然ながらばらつきがあるので、各ＬＤ間で一意のオフセット量は保証されない。

本発明は、このような問題点に鑑みてなされたものであり、安定した光出力を得ることができる発光モジュール及び多チャネル発光モジュールを提供することを目的とする。

本発明の一形態による発光モジュールは、発光素子と、一方の集光点が発光素子の光出射点に一致した第１レンズと、第１レンズから出射された光を発散光として出射させる第２レンズと、第２レンズから出射された光を光ファイバに入射させる第３レンズと、発光素子、第１レンズ及び第２レンズを搭載する温度制御素子と、を備え、第２レンズは、第２レンズから出射される光が平行光となる位置よりも第１レンズ側に配置されており、第３レンズから出射される光は、光ファイバの内部で集光される。

本発明の一形態による多チャネル発光モジュールは、発光素子、第１レンズ及び第２レンズを有する複数のレーンを備えた多チャネル発光モジュールであって、各第２レンズから出射されて合波された光を光ファイバに入射させる第３レンズと、各発光素子、各第１レンズ及び各第２レンズを搭載する温度制御素子と、を備え、各レーンにおいて、第１レンズの発光素子側の集光点は発光素子の光出射点に位置しており、第２レンズは第１レンズから出射された光を発散光に変換する位置に設けられており、第２レンズから出射された発散光は第３レンズを介して光ファイバと光結合し、第３レンズから出射される光は光ファイバの内部で集光される。

本発明の一形態による発光モジュール及び多チャネル発光モジュールでは、安定した光出力を得ることができる。

実施形態に係る発光モジュールの内部構造を示す斜視図である。 図１の発光モジュールの内部構造を示す平面図である。 図１の発光モジュールの光学系を示す模式図である。 図１の発光モジュールにおけるレンズ系の調芯を説明する図である。 スリーブにおけるＸＹトレランスを示すグラフである。（ａ）は第２レンズをＬＤ側に移動させた場合、（ｂ）は第２レンズを光ファイバ側に移動させた場合、をそれぞれ示す。 第２レンズを変位させる方向と反射戻り光量との関係を示すグラフである。 ＬＤ、第１レンズ、第２レンズ、第３レンズ及び光ファイバの位置関係を示す図である。 光ファイバの端面における光の結合ロスと温度との関係を示すグラフである。 従来の調整方法を説明する図である。

以下、添付図面を参照しながら本発明に係る発光モジュール及び多チャネル発光モジュールの実施形態を詳細に説明する。なお、図面の説明において、同一又は相当の要素には同一の符号を付し、重複する説明を省略する。

図１は、本実施形態に係る発光モジュール１の内部構造を示している。図２は、発光モジュール１の内部構造を示す平面図である。図１及び図２に示されるように、発光モジュール１は、直方体状の筐体２と、フランジ付き円柱状の光結合部３とを備える。また、発光モジュール１の内部には、４個のＬＤ（発光素子）１１ａ〜１１ｄ、４個の第１レンズ１２ａ〜１２ｄ、ビームスプリッタ１３、４個の第２レンズ１４ａ〜１４ｄ、第１ＷＤＭフィルタ１５、第２ＷＤＭフィルタ１６、ミラー１７、アイソレータ１８及び偏波合成フィルタ１９が設けられている。発光モジュール１は、ＬＤ１１ａ〜１１ｄ、第１レンズ１２ａ〜１２ｄ及び第２レンズ１４ａ〜１４ｄを備えた４チャネルの発光モジュールである。

各第１レンズ１２ａ〜１２ｄは各ＬＤ１１ａ〜１１ｄに対応して設けられており、各第２レンズ１４ａ〜１４ｄは各第１レンズ１２ａ〜１２ｄに対応して設けられている。以下の説明では、ＬＤ１１ａ〜１１ｄ、第１レンズ１２ａ〜１２ｄ及び第２レンズ１４ａ〜１４ｄのそれぞれを、単にＬＤ１１、第１レンズ１２及び第２レンズ１４と称することがある。ＬＤ１１はＬＤ１１ａ〜１１ｄのいずれかを示し、第１レンズ１２は第１レンズ１２ａ〜１２ｄのいずれかを示し、第２レンズ１４は第２レンズ１４ａ〜１４ｄのいずれかを示している。

以下では、図面において、「前後方向」、「上下方向」及び「左右方向」の語を用いるが、これらの語は図示する状態に基づく便宜的なものである。以下の説明において、前方向は第１レンズ１２ａ〜１２ｄから見てＬＤ１１ａ〜１１ｄが設けられる方向であり、後方向は筐体２から見て光結合部３が設けられる方向である。左右方向は、ＬＤ１１ａ〜１１ｄ、第１レンズ１２ａ〜１２ｄ又は第２レンズ１４ａ〜１４ｄが並設される方向である。また、上下方向は、前後方向及び左右方向のそれぞれに直交する方向である。

発光モジュール１では、光源として機能するＬＤ１１ａ〜１１ｄが独立して駆動し、それぞれのＬＤ１１ａ〜１１ｄが光信号を出力する。ＬＤ１１ａ〜１１ｄから出力された出力光は、それぞれ集光レンズである第１レンズ１２ａ〜１２ｄに入力される。各ＬＤ１１ａ〜１１ｄは、それぞれ対応する第１レンズ１２ａ〜１２ｄの焦点よりも離間して載置されているので、第１レンズ１２ａ〜１２ｄは集光レンズとして機能する。

第１レンズ１２ａ〜１２ｄによって集光された光は、それぞれ第２レンズ１４ａ〜１４ｄに入力されて、第２レンズ１４ａ〜１４ｄによって実質平行光に変換される。第２レンズ１４ａ〜１４ｄのＬＤ１１ａ〜１１ｄ側の焦点は、第１レンズ１２ａ〜１２ｄそれぞれの集光点に一致させて配置される。よって、この集光点を光源とする発散光は、この集光点に自身の焦点を一致させた第２レンズ１４ａ〜１４ｄにより平行ビームに変換される。

図３は、発光モジュール１の光学系を示す模式図である。図３に示されるように、第２レンズ１４ａ〜１４ｄからのそれぞれの光は、第１ＷＤＭフィルタ１５、第２ＷＤＭフィルタ１６、ミラー１７、アイソレータ１８及び偏波合成フィルタ１９を含む光学回路によって合波され、筐体２の後壁２Ａに設けられた窓２ａを介して筐体２外に出力される。筐体２外に出力された光は、光結合部３内に設けられた第３レンズ４によって集光される。第３レンズ４によって集光された光は、第３レンズ４の後側に位置してファイバスタブ６によって保持された光ファイバ５の端面に結合される。

ここで、従来はファイバの端面を光軸方向にオフセットする方式（スリーブデフォーカス方式）によって、ファイバの端面に結合される光のパワー（以下、ファイバ結合パワーと称することもある）を調整していた。しかしながら、本実施形態では、筐体２の内部における第２レンズ１４ａ〜１４ｄのそれぞれの位置を光軸方向に変化させることによって、各ＬＤ１１ａ〜１１ｄからの出力光によるファイバ結合パワーを所定の範囲内とする。

上記の方式は、ＬＤ１１ａ〜１１ｄからの出力光を第２レンズ１４ａ〜１４ｄによって平行光とし、この平行光を光学回路に入射させることによって合波を行う。筐体２から出力される光は平行光となり、この平行光は、筐体２の外部に位置する第３レンズ（集光レンズ）４によって集光されて光ファイバ５の端面に結合する。第３レンズ４の有効径内に平行光が入射すれば、第２レンズ１４ａ〜１４ｄを通る４つの光に光軸方向のずれが発生しても光は１点に集中する。また、ファイバ結合パワーは、各ＬＤ１１ａ〜１１ｄから出力される光強度のばらつきと、光学系の光結合効率のばらつきに依存する。これらによるばらつきは、一般的に３ｄＢ程度となる。

直接変調型であるＬＤ１１ａ〜１１ｄの平均光出力は、所定の駆動電流条件下において約１０ｄＢｍである。また、光合波器とレンズ系による光ファイバ５の端面への結合ロスは２〜３ｄＢ程度であるため、光ファイバ５から出力される信号光の強度は７〜８ｄＢｍ程度となる。一方、ＩＥＥＥで規定されているＬＲ４（１００ＧＢＡＳＥ−ＬＲ４）の光出力は最大４．５ｄＢｍとされており、光ファイバ５への結合効率を調整しない場合にはオーバーパワーの条件となってしまう。

ここで、従来の結合効率の調整方法は、ファイバの端面の位置を集光位置（焦点）から遠ざける（又は近づける）デフォーカス法によって行っていた。しかしながら、発光モジュール１にデフォーカス法を適用すると、理想的な状態となっている１本の光軸に対しての調整は可能となるが、実際は、実装ばらつき等による光軸のばらつき、及びＬＤ１１ａ〜１１ｄからの出力光によるばらつき、があるため、全て（４本）の光軸に対するパワー調整は困難である。

このファイバ結合パワーのばらつきの原因を具体的に説明する。図９に示されるように、４つの平行光Ｌ０〜Ｌ３を、集光レンズである第３レンズ４に入射させるときに、各平行光Ｌ０〜Ｌ３の光軸がずれていると、第３レンズ４からファイバスタブ６の光ファイバ５に向かう各光における光軸の角度が互いに異なることとなる。但し、各平行光Ｌ０〜Ｌ３における光軸のずれが第３レンズ４の有効径の範囲内であれば、第３レンズ４から光ファイバ５に向かう各光は１点に集光され、この光ファイバ５では、有意なファイバ結合パワーを得ることができる。

しかしながら、発光モジュール１から出力される光を調整するために光ファイバ５における光の結合位置を集光位置からずらす（遠ざける又は近づける）と、４つの光軸のずれで第３レンズ４から光ファイバ５に向かう各光の光軸の角度が互いに異なっていることにより、結合位置をずらした後における４つの光軸の位置ずれが大きくなる。その結果、ファイバ結合パワーのばらつきが大きくなるという問題が生じる。

そこで、上述した問題を解決するため、筐体２内の各ＬＤ１１ａ〜１１ｄに対する第２レンズ１４ａ〜１４ｄの位置を、ファイバ結合パワーをモニタすると共にファイバ結合パワーが所望の光出力パワーとなるまで、光軸方向に変位させる調整を行う。このような調整を行うことによって、４つのＬＤ１１ａ〜１１ｄの全てにおいて、所望のファイバ結合パワーを得ることができる。

以下では、所望のファイバ結合パワーを得ることができる具体的な光出力調整方法を説明する。図３に示されるように、発光モジュール１の光学系は３レンズ系となっており、第１レンズ１２ａ〜１２ｄのそれぞれにおいて、ＬＤ１１ａ〜１１ｄからの出力光を５〜６倍の倍率で集光する。一般的に、ＤＦＢ−ＬＤの出力光をＳＭＦ（Single-mode Fiber）に最適に結合させることが可能な光学倍率は５〜６倍である。すなわち、第１レンズ１２ａ〜１２ｄでは、ＬＤ１１ａ〜１１ｄからの出力光を５倍以上且つ６倍以下の倍率で集光させる。筐体２の外部に位置する第３レンズ４は、筐体２の後壁２Ａを通過した平行光を光ファイバ５の端面に集光させる。

ここで、第１レンズ１２ａ〜１２ｄの焦点距離は０．４５ｍｍであり、第１レンズ１２ａ〜１２ｄの倍率は５〜６である。第２レンズ１４ａ〜１４ｄの焦点距離は０．８５ｍｍであり、第２レンズ１４ａ〜１４ｄの倍率は１である。第３レンズ４の焦点距離は０．８５ｍｍであり、第３レンズ４の倍率は１である。このような３レンズ系を有する発光モジュール１では、第１レンズ１２ａ〜１２ｄの光学倍率を５〜６倍、第２レンズ１４ａ〜１４ｄ及び第３レンズ４の光学倍率を１倍としている。そして、最も高い位置精度が求められる第１レンズ１２ａ〜１２ｄの後方に第２レンズ１４ａ〜１４ｄを実装することによって、倍率が低い第２レンズ１４ａ〜１４ｄを光軸調整用のレンズとして用いることができ、実装時の位置ずれによる光結合ロスを低減させることができる。

また、２レンズ系を有する発光モジュールではコリメートレンズの実装精度が０．３μｍ以下であることが求められるのに対し、３レンズ系を有する発光モジュール１では第２レンズ１４の実装精度が１．５μｍ以下であれば同等の性能を実現できる。なお、レンズ等の光学部品は、小型化を実現させるため、エポキシ系のＵＶ硬化型樹脂等の接着剤によって固定される。このような固定は、樹脂の硬化時における収縮又は硬化時の熱による膨張等の影響により、１μｍ以下の精度で実装させるのが困難である。

また、発光モジュール１では、第１レンズ１２ａ〜１２ｄの倍率を５〜６倍の光学系としているので、第２レンズ１４ａ〜１４ｄから後方に位置する平行光のビームパターンの直径を縮小させることができ（０．６ｍｍ程度から０．２ｍｍ程度にまで縮小できる）、光合波を行う光学系のコンパクト化を実現させることができる。

次に、発光モジュール１におけるレンズ系の調芯手順について説明する。まず、発光モジュール１内の所定箇所にＬＤ１１ａ〜１１ｄを搭載し、ＬＤ１１ａ〜１１ｄの電気的な動作が可能となるように、ＬＤ１１ａ〜１１ｄに対して所定のワイヤリングを行う。その後は、図４に示されるように、ＬＤ１１ａに対する第１レンズ１２ａの位置を決定する工程、第１レンズ１２ａに対する第２レンズ１４ａの初期位置を決定する工程、及び第２レンズ１４ａの調芯を行う工程を実行する。以下では、これらの各工程について詳細に説明する。

まず、図４（ａ）に示されるように、ＬＤ１１ａに対する第１レンズ１２ａの位置を決定する工程を行う。この工程では、発光モジュール１内に配置されたＬＤ１１ａ〜１１ｄによって生成される光を発光モジュール１外に取り出す必要がある。これには、ＬＤ１１ａ〜１１ｄの光軸を発光モジュール１外に平行移動することにより行う。

そして、筐体２に対する遠点（筐体２から１０００ｍｍ程度離れた箇所）に赤外線カメラ３０を配置して、赤外線カメラ３０を用いて第１レンズ１２ａの位置調整を行う。具体的には、ＬＤ１１ａが出力した光が第１レンズ１２ａによって平行光となるように、第１レンズ１２ａが出力する光を上記治具を用いて発光モジュール１外に取り出し、赤外線カメラ３０によって第１レンズ１２ａからの光のフィールドパターンを確認しながら、ＬＤ１１ａに対する第１レンズ１２ａの位置を決定する。

このとき、ＬＤ１１ａの光出射点が第１レンズ１２ａの焦点上に位置することとなるので、ＬＤ１１ａが出力した光は、第１レンズ１２ａから赤外線カメラ３０が位置する遠点に至るまで平行光となる。そして、第１レンズ１２ａの光軸方向の位置を所定量オフセットさせる。すなわち、第１レンズ１２ａをＬＤ１１ａから離す方向に移動させることにより、倍率を５〜６倍としたＬＤ１１ａと第１レンズ１２ａとの関係を得ることができる。

続いて、図４（ｂ）に示されるように、第１レンズ１２ａに対する第２レンズ１４ａの初期位置を決定する工程を実行する。この工程では、遠点に配置された赤外線カメラ３０を用いて第２レンズ１４ａの位置調整をしながら第２レンズ１４ａの初期位置を決定する。具体的には、赤外線カメラ３０によって第２レンズ１４ａから出射される光のフィールドパターンを確認しながら、第２レンズ１４ａから赤外線カメラ３０にまで到達する光が平行光となるように、光軸方向における第２レンズ１４ａの初期位置を決定する。

次に、図４（ｃ）に示されるように、位置調整用の治具４０を設置する。この治具４０は第３レンズ４と光ファイバ５を模した集光レンズ４４と光ファイバ４５とを備えており、集光レンズ４４と光ファイバ４５との位置関係は上述した第３レンズ４と光ファイバ５との位置関係と同一となっている。すなわち、治具４０において、集光レンズ４４と光ファイバ４５とは、光ファイバ４５の端面が集光レンズ４４の光軸上であって且つ集光レンズ４４の焦点位置にあるように配置される。

上記のような治具４０を、筐体２の後壁２Ａに対して実際に第３レンズ４及び光ファイバ５が配置される位置（設計位置）に配置する。その後、治具４０における光ファイバ４５の他方（集光レンズ４４の反対側）の端面から出射される光が所定の強度となるように、第２レンズ１４ａの調芯を行う工程を実行する。ここで、第２レンズ１４ａの初期位置は前工程で決定されており、このとき第２レンズ１４ａの焦点位置は第１レンズ１２ａの集光点と一致している。よって、第２レンズ１４ａを通過した光が平行光となっているので、この第２レンズ１４ａの調芯を行う工程では、所定の光出力が得られるように、第２レンズ１４ａを光軸に垂直な面内で移動させる調整を行う。また、図４（ｄ）に示されるように、第２レンズ１４ａを光軸方向に変位させることによって光ファイバ４５の端面に結合される光のパワーが所望の値となるように第２レンズ１４ａの位置調整を行う。その後、接着剤によって第２レンズ１４ａを筐体２の内部で固定させる。

以上のように、ＬＤ１１ａに対する第１レンズ１２ａの位置を決定する工程、第１レンズ１２ａに対する第２レンズ１４ａの初期位置を決定する工程、及び第２レンズ１４ａを調芯する工程を実行した後には、ＬＤ１１ｂに対する第１レンズ１２ｂの位置を決定する工程、第１レンズ１２ｂに対する第２レンズ１４ｂの初期位置を決定する工程、及び第２レンズ１４ｂを調芯する工程を上記同様に実行する。ここで、治具４０の筐体２に対する位置は変更しない。

具体的には、（１）ＬＤ１１ｂの出力光が第１レンズ１２ｂによって平行光となるように、遠点に位置する赤外線カメラ３０を用いて第１レンズ１２ｂの位置を決定し、（２）第２レンズ１４ｂを通過した光を赤外線カメラ３０で観測し、この観測した光が平行光となる第２レンズ１４ｂの位置を第２レンズ１４ｂの初期位置として決定し、（３）光ファイバ４５から所定の光出力が得られるように第２レンズ１４ｂを光軸に沿ってオフセットしファイバ結合パワーの調整を行った後に第２レンズ１４ｂを固定する。その後は、上記（１）〜（３）と同一の方法を用いて、第１レンズ１２ｃ、第２レンズ１４ｃ、第１レンズ１２ｄ及び第２レンズ１４ｄの配置を、この順で行う。

以上のように、第１レンズ１２ａ〜１２ｄ及び第２レンズ１４ａ〜１４ｄの配置を行った後は、治具４０を筐体２の後壁２Ａから外す。そして、第３レンズ４及び光ファイバ５を備えた正規の光結合部３を筐体２の後壁２Ａに取り付けて、筐体２に対する光結合部３の調芯を行った後に光結合部３を筐体２に固定させる。具体的には、第３レンズ４と、光ファイバ５を保持するファイバスタブ６と、を組み込んだ光結合系を、まず、第３レンズ３４を筐体２に対してその結合系が取り付けられる後壁２Ａ上をスライドさせて光軸に垂直な面内で調芯を行い、次いで、ファイバスタブ６と第３レンズ４との間の当該面内における調芯を行う。この第３レンズ４の調芯とファイバスタブ６の調芯を繰り返してファイバスタブ６の他方の端面から出射される光強度が最大となる光結合系の位置を見出し、当該位置で光結合系を筐体２に溶接により固定する。

このように溶接による固定を行うための設備として、ＹＡＧ調芯溶接設備を用いることができる。ＹＡＧ調芯溶接設備では、第３レンズ４と、光結合部３のスリーブと、の光軸方向における位置関係を維持した状態で、筐体２、第３レンズ４及び上記スリーブの３体調芯を行うことによって、４つの全ての光出力が調整された値のファイバ結合パワーとすることができる。

以上、発光モジュール１は、第２レンズ１４ａ〜１４ｄのそれぞれを光軸方向に変位させて各第２レンズ１４ａ〜１４ｄの調芯を行う工程を経て組み立てられる。このように第２レンズ１４ａ〜１４ｄのそれぞれに対して調芯を行うことによって、ＬＤ１１ａ〜１１ｄのそれぞれから出力される各ＬＤ光に対する適正なオフセット量で調芯を行うことができる。従って、光ファイバ５からの光出力を安定させることができる。

また、第２レンズ１４ａ〜１４ｄの調芯を行う工程では、第２レンズ１４ａ〜１４ｄのそれぞれを光軸方向に変位させてファイバ結合パワーの調整を行ったが、第２レンズ１４ａ〜１４ｄを移動させる方向としては、ＬＤ１１ａ〜１１ｄ側と光ファイバ５側とがある。

しかし、図５（ｂ）に示されるように、第２レンズ１４ａ〜１４ｄを光ファイバ５側（第１レンズ１２ａ〜１２ｄから離れる方向）に変位させた場合は、第２レンズ１４ａ〜１４ｄをＬＤ１１ａ〜１１ｄ側（第１レンズ１２ａ〜１２ｄに近づく方向）に変位させた場合と比較して、光ファイバ５の結合トレランスを拡大させることができる。よって、第２レンズ１４ａ〜１４ｄを光ファイバ５側に変位させた場合には光の変化量を低減させることが可能となるので、光ファイバ５からの光出力を一層安定させることができる。ここで、図５（ａ）は第２レンズ１４ａ〜１４ｄをＬＤ１１ａ〜１１ｄ側に変位させた場合の結合トレランスを示し、図５（ｂ）は第２レンズ１４ａ〜１４ｄを光ファイバ５側に変位させた場合の結合トレランスを示している。

また、図６のグラフに示されるように、第２レンズ１４ａ〜１４ｄを光ファイバ５側に変位させた場合には、第２レンズ１４ａ〜１４ｄをＬＤ１１ａ〜１１ｄ側に変位させた場合と比較して、反射戻り光の光量を低減させることができる。これは、第１レンズ１２ａ〜１２ｄと第２レンズ１４ａ〜１４ｄとの間隔が広がるので、第２レンズ１４ａ〜１４ｄの光入射面による反射の影響が低減されたことによる。更に、第２レンズ１４ａ〜１４ｄ及び第３レンズ４としては、例えば１．５〜２．５ｍｍ程度の焦点距離を有するレンズを用いることによって、結合トレランスを拡大させる効果と反射戻り光の光量を低減させる効果とを高めることが可能となる。

ここで、第２レンズ１４を移動させる方向について詳細に説明する。図７は、第２レンズ１４と第３レンズ４との相対位置関係を示している。具体的に、図７（ａ）は、第２レンズ１４のＬＤ１１側の焦点と第１レンズ１２の光ファイバ５側の集光点とが一致している状態を示している。この状態では、第２レンズ１４が出射する光はコリメート光となっている。図７（ｂ）は、図７（ａ）の状態よりも第２レンズ１４が光ファイバ５側に位置した状態を示している。このとき、第２レンズ１４の出射光は収束光となる。図７（ｃ）は、図７（ａ）の状態よりも第２レンズ１４がＬＤ１１側に位置した状態を示している。このとき、第２レンズ１４の出射光は発散光となる。

図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示されるように、第２レンズ１４からの出射光が収束光又は発散光である場合には、第３レンズ４からの出射光は、光ファイバ５の端面に集光せず、この集光位置は光ファイバ５の内部に入った箇所となる。すなわち、第２レンズ１４からの出射光が収束光又は発散光である場合には、第３レンズ４から出射された光の集光位置は、第２レンズ１４からの出射光が平行光である場合よりも、第３レンズ４から離れた位置となる。従って、第２レンズ１４からの出射光が収束光又は発散光である場合には、第２レンズ１４からの出射光が平行光である場合よりも、光ファイバ５における光の結合効率が低下する。

ここで、温度に依存して結合効率が変動する現象であるトラッキングエラー（Tracking Error）について検証する。トラッキングエラーによって、発光モジュール１内の各部品の熱膨張率に依存して各部品の物理的寸法が変動し、各部品の相対位置にも影響が及ぶこととなる。

上述したように、第３レンズ４と光ファイバ５は、スリーブ等と共に、筐体２の外部に位置する光結合部３に収容されている。よって、光結合部３の内部に位置する第３レンズ４と光ファイバ５は、発光モジュール１の外部及び筐体２の温度の影響を直接受ける。一方、ＬＤ１１、第１レンズ１２及び第２レンズ１４は、筐体２の内部に配置されている。更に、ＬＤ１１、第１レンズ１２及び第２レンズ１４は、筐体２の内部でＴＥＣ（温度制御素子：Thermo-Electric Cooler）２０上に搭載されている。よって、ＬＤ１１、第１レンズ１２及び第２レンズ１４の温度は実質安定化されている。

また、温度が上昇すると、光結合部３は熱膨張し、光ファイバ５は第３レンズ４から離れる方向に移動する。すなわち、図７（ｂ）及び図７（ｃ）に示される状態では、光ファイバ５は、光ファイバ５の端面が第３レンズ４の集光位置に近づく方向に移動する。一方、温度変化に伴ってＴＥＣ２０の上基板には機械的歪みが生じ、これにより、温度上昇時には第２レンズ１４が第３レンズ４から離れる方向に移動する。

ここで、図７（ｂ）に示される状態では、温度上昇に伴って第２レンズ１４が第３レンズ４から離れるので、光ファイバ５における光の結合効率が上昇する。更に、図７（ｂ）に示される状態では、温度上昇に伴って、光ファイバ５の端面が第３レンズ４の集光位置に近づくので上記結合効率は一層上昇する。このように、図７（ｂ）に示される状態では、温度上昇時には光ファイバ５における光の結合効率が著しく上昇する。しかしながら、図７（ｂ）に示される状態では、温度低下時に結合効率が著しく低下する。

また、図７（ｃ）に示される状態では、温度上昇に伴って第２レンズ１４が第３レンズ４から更に離れるので、光ファイバ５における光の結合効率は低下する。しかしながら、図７（ｃ）に示される状態では、温度上昇に伴って、光ファイバ５の端面が第３レンズ４の集光位置に近づく方向に移動する。これによって、光ファイバ５における光の結合効率は上昇する。

すなわち、図７（ｃ）に示される状態では、温度上昇により、第２レンズ１４が第３レンズ４から離れることによって結合効率が低下するが、光ファイバ５の端面が第３レンズ４の集光位置に近づくことによって結合効率が上昇するので、結合効率が安定する。また、温度低下時には、第２レンズ１４が第３レンズ４に近づいて結合効率が上昇するが、光ファイバ５の端面が第３レンズ４の集光位置から離れることによって結合効率が低下するので、この場合も結合効率が安定する。従って、図７（ｃ）に示されるように、第２レンズ１４がＬＤ１１側（第１レンズ１２側）に位置し、第２レンズ１４の出射光が発散光となる場合には、温度依存性を低下させることができ、結合効率を安定させることができる。よって、トラッキングエラーを効果的に低下させることができる。

図８は、光ファイバ５の端面における光の結合ロスと温度との関係を示すグラフである。図８（ａ）は第２レンズ１４が光ファイバ５側に位置して第２レンズ１４の出射光が収束光となっている場合（図７（ｂ）の場合）を示し、図８（ｂ）は第２レンズ１４がＬＤ１１側に位置して第２レンズ１４の出射光が発散光となっている場合（図７（ｃ）の場合）を示している。

また、図８において、「Ｌａｎｅ０」とはＬＤ１１ｄ（図３参照）から略直進して光ファイバ５に結合する光の経路を示し、「Ｌａｎｅ１」とはＬＤ１１ｂからの光であってミラー１７及び第２ＷＤＭフィルタ１６で反射された光の経路を示し、「Ｌａｎｅ２」とはＬＤ１１ｃからの光であって偏波合成フィルタ１９で内部反射を繰り返した光の経路を示し、「Ｌａｎｅ３」とはＬＤ１１ａからの光であってミラー１７及び第１ＷＤＭフィルタ１５による反射と偏波合成フィルタ１９による内部反射との両方を受けた光の経路を示している。なお、各Ｌａｎｅの光路長は例えば下記の表１に示される値であり、Ｌａｎｅ０の光路長が最も短くＬａｎｅ３の光路長が最も長い。

図８（ａ）に示されるように、第２レンズ１４を光ファイバ５側に移動させた場合には、トラッキングエラーが大きく現れ、且つ各レーン間におけるトラッキングエラーのばらつきが大きい。すなわち、第２レンズ１４を光ファイバ５側に移動させた場合には、温度が上昇すると結合効率が大きく変動する。このように結合効率が大きく変動するのは、上述したように第２レンズ１４が第３レンズ４から離れると共に光ファイバ５の端面が第３レンズ４の集光位置に近づくことによって、第２レンズ１４と第３レンズ４の両方が結合効率を増加させる方向に作用するためである。また、各レーン間におけるトラッキングエラーのばらつきが大きいのは、上記表１に示されるように、第２レンズ１４と第３レンズ４との距離がレーン毎に互いに異なっているからである。

図８（ｂ）に示されるように、第２レンズ１４をＬＤ１１側に移動させた場合には、トラッキングエラーは小さく、且つ各レーン間におけるトラッキングエラーのばらつきも小さい。すなわち、第２レンズ１４をＬＤ１１側に移動させた場合には、温度が上昇しても、結合効率の変動が小さく安定している。このように結合効率が安定しているのは、上述したように第２レンズ１４が第３レンズ４から更に離れると共に光ファイバ５の端面が第３レンズ４の集光位置に近づくことによって、第２レンズ１４が結合効率を低下させる方向に作用するのに対して第３レンズ４が結合効率を増加させる方向に作用するためである。

以上、本発明に係る好適な実施形態について説明してきたが、本発明は上述した実施形態に限定されない。すなわち、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において種々の変形及び変更が可能であることは、当業者によって容易に認識される。例えば、上記実施形態では、ＬＤ１１ａ〜１１ｄ、第１レンズ１２ａ〜１２ｄ及び第２レンズ１４ａ〜１４ｄを有する複数のレーンを備えた多チャネル発光モジュールについて説明したが、ＬＤ、第１レンズ及び第２レンズが一つずつ設けられる発光モジュールであってもよい。

１…発光モジュール（多チャネル発光モジュール）、２…筐体、３…光結合部、４…第３レンズ、５…光ファイバ、１１，１１ａ〜１１ｄ…ＬＤ（発光素子）、１２，１２ａ〜１２ｄ…第１レンズ、１３…ビームスプリッタ、１４，１４ａ〜１４ｄ…第２レンズ、１５…第１ＷＤＭフィルタ、１６…第２ＷＤＭフィルタ、１７…ミラー、１８…アイソレータ、１９…偏波合成フィルタ、３０…赤外線カメラ、４０…治具、４４…集光レンズ、４５…光ファイバ。

Claims (6)

1. 発光素子と、
   一方の集光点が前記発光素子の光出射点に一致した第１レンズと、
   前記第１レンズから出射された光を発散光として出射させる第２レンズと、
   前記第２レンズから出射された光を光ファイバに入射させる第３レンズと、
   前記発光素子、前記第１レンズ及び前記第２レンズを搭載する温度制御素子と、を備え、
   前記第２レンズは、前記第２レンズから出射される光が平行光となる位置よりも前記第１レンズ側に配置されており、
   前記第３レンズから出射される光は、前記光ファイバの内部で集光される、
   発光モジュール。
2. 前記第１レンズでは、前記発光素子からの出力光を５倍以上且つ６倍以下の倍率で集光させる、
   請求項１に記載の発光モジュール。
3. 前記第２レンズは、温度上昇に伴って前記第３レンズから離れる方向に移動し、
   前記第３レンズから出射された光が入射される前記光ファイバの端面は、温度上昇に伴って前記第３レンズの集光位置に近づく方向に移動する、
   請求項１又は２に記載の発光モジュール。
4. 発光素子、第１レンズ及び第２レンズを有する複数のレーンを備えた多チャネル発光モジュールであって、
   各前記第２レンズから出射されて合波された光を光ファイバに入射させる第３レンズと、
   各前記発光素子、各前記第１レンズ及び各前記第２レンズを搭載する温度制御素子と、を備え、
   各前記レーンにおいて、前記第１レンズの前記発光素子側の焦点は前記発光素子の光出射点に位置しており、前記第２レンズは前記第１レンズから出射された光を発散光に変換する位置に設けられており、
   前記第２レンズから出射された前記発散光は前記第３レンズを介して前記光ファイバと光結合し、前記第３レンズから出射される光は前記光ファイバの内部で集光される、
   多チャネル発光モジュール。
5. 各前記レーンにおける前記第１レンズは、それぞれ前記発光素子からの出力光を５倍以上且つ６倍以下の倍率で集光させる、
   請求項４に記載の多チャネル発光モジュール。
6. 各前記レーンにおける前記第２レンズは、温度上昇に伴って前記第３レンズから離れる方向に移動し、
   前記第３レンズから出射された光が入射される前記光ファイバの端面は、温度上昇に伴って前記第３レンズの集光位置に近づく方向に移動する、
   請求項４又は５に記載の多チャネル発光モジュール。

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